BAB III. METODE PENELITIAN
A. Tempat Penelitian Penelitian telah dilakukan di : 1.
Observasi lapang di sentra produksi pertanian dan/atau industri penghasil limbah padat pertanian yang berada di sekitar eks-Karesidenan Surakarta, meliputi: a.
Kelompoktani Padi Organik KNOC (Kelompok Ngawi Organic Center) Desa Guyung Kecamatan Gerih Kabupaten Ngawi
b.
Kelompoktani Jagung “Sido Rahayu”, Desa Tunggak, Kecamatan Toroh, Kabupaten Grobogan
c.
Kelompoktani Singkong Karya Makmur II Ngadirojo dan Semagar, Girimarto
2.
Laboratorium Motor Bakar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknis UNS untuk proses produksi sampel biobriket limbah pertanian.
3.
Laboratorium Material Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknis UNS untuk pengujian karakteristik pembakaran dengan macro-thermobalance (macroTGA) sampel biobriket non karbonisasi dan biobriket terkarbonisasi.
4.
Laboratorium Kimia dan Biokimia Pusat Studi Pangan dan Gizi (PSPG) – Pusat Antar Universitas (PAU UGM) untuk pengujian proximate dan nilai kalor dilakukan di. B. Waktu Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada rentang waktu 5 bulan dengan rincian sebagaimana pada tabel 8. C. Tata Laksana Penelitian 1. Rancangan Penelitian Penelitian
ini
menggunakan
rancangan
kombinasi
antara
metode
observasi/survey lapang dan metode eksperimentasi laboratorium. Penelitian lapang untuk mengidentifikasi ragam pemanfaatan limbah padat pertanian
existing serta mengeksplorasi berbagai kemungkinan permasalahan sosialekonomi dan lingkungan terkait optimalisasi pemanfaatan limbah padat pertanian sebagai pupuk organik maupun sebagai sumber energi alternatif dalam bentuk biobriket tanpa tambahan perekat (binderless biobriquette). Metode yang digunakan adalah observasi lapang, pengumpulan data lapang dalam bentuk kuesioner dan wawancara mendalam
dengan shareholders
terkait. Sementara, metode eksperimentasi dilakukan untuk membuat sampel biobriket non-karbonisasi dan biobriket terkarbonasi dari bahan baku limbah padat pertanian potensial. Pengujian proximate dan nilai kalor bahan dan sampel biobriket dilakukan untuk menganalisis karakteristik bahan. Pengujian dengan macro-thermobalance (macro-TGA) dilakukan untuk menganalisis karakteristik pembakaran biobriket limbah pertanian. Untuk melengkapi analisis data primer, dilakukan penelusuran referensi dan data-data sekunder yang terkait. Tabel 1. Waktu Penelitian No Kegiatan 1. Observasi Lapang 2. 3.
Penelitian Lapang dan Pengambilan Sampel Penelitian Eksperimental Laboratorium
4. 5. 6. 7. 8.
Pengolahan Data Penyusunan Laporan Tesis dan Analisis Seminar Hasil Publikasi Jurnal Ujian Tesis
Waktu September – Oktober 2015 Oktober - Desember 2015 Desember 2015 – Maret 2016 Maret - April 2016 April - Mei 2016 Juni 2016 Mei - Juli 2016 Juni 2016
2. Bahan dan Peralatan a. Bahan Baku dan Sampel Uji Sampel bahan yang digunakan dalam penelitian laboratorium adalah limbah pertanian dan/atau limbah industri pertanian yang diambil dari sentra atau kawasan pertanian tanaman pangan di sekitar eks-Karesidenan Surakarta.
Jenis bahan baku yang akan digunakan sebagai sampel adalah : 1). Sekam Padi 2). Jerami 3). Tongkol Jagung 4). Kulit Singkong 5). Serbuk Gergaji Kayu Sengon
b. Peralatan Pendukung Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah : 1). Heated die screw press extruder, dengan penggerak motor listrik 5 HP, yang dilengkapi dengan thermocontroller berdaya 1000 Watt dengan range kerja temperatur sampai dengan 1000o C; 2). Alat uji pembakaran yang dilengkapi dengan thermocontroller berdaya 1000 Watt dengan kisaran temperatur thermocontroller tipeK sampai dengan 1000o C. 3). Alat pendukung, yang meliputi mesin penghalus bahan baku bertipe disc mill berdaya 2 HP dan mesin pengayak bahan baku bertipe eksentrik dan dapat diatur kehalusan pengayakannya dengan daya ¼ HP. 4). Alat ukur pengambilan data yang meliputi : timbangan digital (dengan ketelitian 0,01 gram), thermocouple reader, thermocouple tipe K.
Gambar 1.Disc Mill
Gambar 2. Timbangan Digital
5). Reaktor macro-thermobalance (macro-TGA) untuk uji karakteristik pembakaran. 6). Kamera, alat tulis, recorder
3. Prosedur Penelitian Prosedur penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut : a. Observasi lapang dilakukan di sentra produksi padi, jagung dan singkong serta industri penggergajian kayu untuk melihat kondisi umum ketersediaan produksi limbah padat pertanian sekaligus mengambil sampel bahan uji. Lokasi: Kabupaten Wonogiri, Kabupaten Grobogan dan Kabupaten Ngawi. b. Melakukan wawancara mendalam dengan pihak-pihak terkait untuk menggali informasi terkait peluang pemanfaatan limbah padat pertanian sebagai sumber energi alternatif beserta dampak-dampak yang mungkin ditimbulkan. Pihak yang terkait tersebut antara lain : Dinas Pertanian, Penyuluh Lapang, Petani Champion dan Pelaku Industri terkait. c. Melakukan survey kuesioner kepada petani yang tergabung dalam kelompoktani tanaman pangan untuk mengetahui ragam dan preferensi pemanfaatan limbah padat pertanian di tingkat on farm maupun off farm. d. Melakukan observasi lapang dan analisis pemanfaatan limbah padat pertanian khususnya limbah padi sebagai pupuk organik bokashi dan biogas. e. Penyiapan Bahan Sampel Uji 1). Bahan baku yang dikumpulkan adalah limbah padat pertanian yang dikumpulkan berasal dari sentra pertanian yang berupa sekam padi, jerami, tongkol jagung, kulit singkong dan serbuk gergaji. Lokasi pengambilan sampel adalah di Kabupaten Ngawi (Sekam dan Jerami), Kabupaten Grobogan (Tongkol Jagung) dan Kabupaten Wonogiri (Kulit Singkong). Sementara untuk serbuk gergaji diperoleh dari sentra penggergajian di Kecamatan Girimarto, Kabupaten Wonogiri. 2 ) . Semua bahan baku tersebut dikeringkan dengan cara dijemur sehingga kadar airnya diperkirakan sekitar 12 %. 3). Bahan baku jerami,tongkol jagung dan kulit singkong dihancurkan dan di-sizing dengan ukuran yang homogen. Ukuran bahan baku setelah di sizing adalah 20 mesh.
f. Pembuatan Sampel Biobriket Tahapan
selanjutnya
adalah
pembuatan
binderless
biobriquette
menggunakan heated die screw extruder. Pirolisis dengan menggunakan screw extruder untuk masing-masing varians bahan dilakukan pada suhu die 400oC dan putaran 30 rpm. Proses produksi sampel biobriket dilakukan di Laboratorium Motor Bakar Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret. Adapun variasi komposisi bahan yang akan dibuat briket adalah sebagaimana tabel berikut. Tabel 2. Variasi Komposisi Bahan Pembuatan Biobriket No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Kode A B C D E AB AC AD AE BC BD BE CD CE DE
Variasi Bahan Sekam Padi Jerami Tongkol Jagung Kulit Singkong Serbuk Gergaji Sekam Padi + Jerami Sekam Padi + Tongkol Jagung Sekam Padi + Kulit Singkong Sekam Padi + Serbuk Gergaji Jerami + Tongkol Jagung Jerami + Kulit Singkong Jerami + Serbuk Gergaji Tongkol Jagung + Kulit Singkong Tongkol Jagung + Serbuk Gergaji Kulit Singkong + Serbuk Gergaji
Rasio Campuran 100% 100% 100% 100% 100% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50% 50% : 50%
c. Uji Proximate dan Nilai Kalor Melakukan pengujian proksimasi (kadar air, kadar abu, kadar zat terbang, karbon padat) dan Nilai Kalor dari 5 (lima) jenis sampel bahan baku serta sampel biobriket yang berhasil tercetak melalui mesin screw extruder. Pengujian dilakukan di Laboratorium Kimia dan Biokimia PSPG- PAU Universitas Gadjah Mada. Pengujian di Laboratorium PSPG PAU UGM dilakukan menurut prosedur dan standard pengukuran sebagai berikut : 1). Pengujian kadar air (moisture content)
Dengan mengacu pada ASTM D 3137-03 maka sampel akan dipanaskan selama 1 jam dengan temperatur 107°C. Berdasarkan referensi FAO (1993) maka sampel awal (M1) dipanaskan dalam oven pengering sampai tidak ada lagi perubahan massa (Me), selanjutnya moisture content (m) dapat dihitung dengan persamaan :
2). Pengujian Zat Terbang (Volatile matter) Pada tahapan uji ini, sampel 1 gram dipanaskan hingga mencapai temperatur 950±20°C dengan holding time 10 menit. Kondisi furnace tanpa oksigen, biasanya dialirkan gas nitrogen atau helium yang bersifat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan sampel. Rumus perhitungannya sesuai standar ASTM D 3175 dengan persamaan berikut : [
]
Volatile Matter (%) = C-D Keterangan dari persamaan di atas, A adalah berat sampel dalam gram, B merupakan berat sampel setelah pemanasan dalam gram, dan C adalah berat yang hilang dalam persen (%). D merupakan moisture content dalam persen yang didapatkan pada pengujian sebelumnya. Penimbangan : Berat Cawan (crucible) kosong Kalibrasi Berat sampel 1 gram
Furnace : 950 ±20 oC Holding time 10 menit
Perhitungan :
SESUAI ASTM D 3175
3). Pengujian kadar abu (ash) Pengujian kadar abu ditunjukkan pada Gambar 3. Sampel 1 gram akan dipanaskan hingga mencapai
temperatur 750°C
dengan laju
pemanasan 3,3°C/menit dan holding time 120 menit. Rumus perhitungannya sesuai standar ASTM D 3174 dapat dilihat pada persamaan berikut ini. [
]
Keterangan dari persamaan di atas, A adalah berat abu dan cawan dalam gram, B merupakan berat cawan kosong dalam gram, dan C adalah berat sampel awal dalam gram. Penimbangan : Berat Cawan (crucible) kosong Kalibrasi Berat sampel 1 gram
Furnace : 950 oC Holding time 120 menit Ash
Perhitungan :
SESUAI ASTM D 3174
4). Perhitungan Karbon Terikat (fixed carbon) Setelah kadar air, kadar abu, dan volatile matter diketahui maka dapat dihitung kandungan fixed carbon melalui standar ASTM D3172 seperti disajikan pada persamaan di bawah ini.
5). Nilai kalor Pengujian nilai kalor akan mengacu pada standar ASTM 2015, digunakan peralatan bomb calorimeter.
d. Uji Pembakaran Biobriket Non Karbonisasi dan Biobriket Karbonisasi Uji pembakaran dilakukan terhadap varians sampel biobriket terseleksi baiki yang non-karbonisasi maupun yang terkarbonisasi, untuk mengetahui proses kinetika pembakaran. Proses pengambilan data untuk uji karakteristik pembakaran dilakukan dengan cara sampel campuran bahan bakar yang telah disiapkan diletakkan ke dalam wadah cekung yang tergantung pada kawat yang terhubung dengan electronis balance. Kemudian
ruang
bakar
secara
perlahan-lahan
akan
dinaikkan
temperaturnya sehingga suhu udara meningkat. Campuran bahan bakar akan mengalami proses pembakaran yang mengakibatkan terjadinya pengurangan massa campuran yang dideteksi pada electronic balance. Sementara itu temperatur yang terjadi dapat dilihat pada thermocouple reader. Data-data diambil pada selang waktu tertentu melalui pengaturan
stopwatch. Pada penelitian ini, temperatur ruang bakar akan diatur pada heating rate 10 oC dan kecepatan aliran udara dianggap konstan.
1
2 3 4
5 6
7 8
9
12 10 0 11
11 13
14
Gambar 3. Skematik Alat Uji Pembakaran
Keterangan gambar 1.
Timbangan Digital
8.
Casing tungku elektrik
2.
Thermocouple Reader
9.
Thermocontroller
3.
Kawat penggantung smpel
10.
Cawan untuk penempatan sampel
4.
Kabel termokopel
11.
Elemen pemanas elektrik
5.
CO meter
12.
Kabel termokopel
6.
Saluran keluar gas pembakaran
13.
Penyearah aliran udara masuk
7.
Penutup tungku
14.
Saluran udara masuk
DIAGRAM PENELITIAN LAPANG
MULAI
Penelusuran Data-Data Sekunder
Penentuans Sampel Lokasi
Observasi Lapang
Pengumpulan Data Primer
Studi Lapang
Pemanfaatan limbah pertanian sebagai pupuk organik (bokashi)
Kuesioner
Profil Potensi dan Ragam Pemanfaatan Limbah Padat Pertanian (existing) Preferensi Bahan Bakar
Analisis SosialEkonomi-Lingkungan Limbah Padat
A Gambar 4. Diagram Observasi Lapang
Wawancara Mendalam
Peluang &tantangan pemanfaatan Data dukung analisis ekonomi dan lingkungan
DIAGRAM PENELITIAN EKSPERIMEN LABORATORIUM MULAI
Pengeringan
Menghaluskan bahan
Pengayakan (20 mesh) Pencampuran bahan baku sesuai Variasi Komposisi Bahan Bahan Baku Siap Proses
Pembriketan Sampel Bahan dengan Heated die screw press extruder
Uji Proksimasi, Nilai Kalor
Uji makro-TGA Pembakaran
Pengambilan Data :
Pengambilan Data : Moisture Content, Zat Volatile, Ash/Abu, Fixed carbon Nilai kalor
Temperatur Sampel Penurunan Massa Waktu
Karakteristik Pembakaran, Menghitung Laju Penurunan Massa, Energi Aktivasi
Membandingkan Nilai Kalor antara sampel bahan dan sampel briket
Analisis Data Hasil Uji
Karakteristik termal dan pembakaran biobriket limbah pertanian
B Gambar 5. Diagram Eksperimen Pembuatan Binderless Biobriquette
